<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zum Schweissen von kriechbeständigem, ferritischem Stahl
EMI1.1
<Desc/Clms Page number 2>
physikalischen Eigenschaften kommen, für welche eine solche Konstruktion ausgelegt ist. Beispielsweise ist derzeit die mechanische Festigkeit von im Mehrlagen-Schweissverfahren hergestellten Schweissstellen dicker, niedrig legierter Stahlplatten im allgemeinen geringer als jene des Grundwerkstoffes.
Die grössten Schwierigkeiten ergeben sich beim Gebrauch von Schweissautomaten, die nach dem
Mehrlagenverfahren arbeiten ; hier erhält man wegen Überanlassens sehr schlechte Kriecheigenschaften der Schweissstellen. Ähnliche Schwierigkeiten ergeben sich bei manuell durchgeführten Mehrlage-
Schweissungen, doch sind wegen der nicht so krassen Temperaturschwankungen während des manuellen
Schweissens die Kriecheigenschaften solcher manuell hergestellter Schweissungen meist um einiges bes- ser.
Tatsächlich macht man bei grossen, dicken Schweissstellen wegen der dabei entstehenden schlech- ten Kriecheigenschaften von automatischer Mehrlagen-Schweissung nur wenig Gebrauch ; meist muss man das viel länger dauernde Verfahren der manuellen Schweissung heranziehen.
Solche überangelassenen Schweissungen kann man manchmal mit Erfolg einer Wärmebehandlung unterziehen, um durch Rückaustenitisierung die Kriecheigenschaften zu bessern. Bei einer solchen Behandlung erhitzt man den Stahl bis gerade oberhalb des oberen kritischen Punktes und führt dann eine kontrollierte Abkühlung durch. Wegen der Kosten der Durchführung einer speziellen Wärmebehandlung und wegen der sich aus der Notwendigkeit sorgfältiger Kontrolle der Abkühlgeschwindigkeit nach dem
Rückaustenitisieren ergebenden Schwierigkeiten, insbesondere wenn grosse Teile abzukühlen und nachher anzulassen sind, wird eine solche Wärmebehandlung überangelassener Schweissungen in der Praxis nicht durchgeführt.
In der Praxis gleicht man die mit solchen überangelassenen, nicht nachbehandelten Schweissungen verbundenen Kriecheigenschaften durch Verwendung grösserer Querschnitte als eigentlich notwendig und durch Konstruktion auf geringere : Spannungen aus. Diese Praxis ist in mancher Hinsicht natürlich zufriedenstellend, führt aber zu unwirtschaftlichem Einsatz des Grundwerkstoffes, da dessen Eigenschaften nicht voll genutzt werden können.
Bei geschweissten Teilen aus kriechbeständigem, ferritischem Stahl sind daher Schweissungen wünschenswert, bei welchen die metallurgischen Strukturen des Grundwerkstoffes und des Zusatzmetalles nicht durch zu stark angelassene Stellen im fertigen, geschweissten Teil beeinträchtigt werden, wodurch sich schlechtere Kriecheigenschaften des Zusatzmetalles als jene des Grundwerkstoffes ergäben.
Es ist unbedingt notwendig, mindestens die Schweissstelle und benachbarte Teile des Grundwerkstoffes einer kompletten Schweisskonstruktion aus kriechbeständigem, ferritischem Stahl einer Anlassbehandlung zu unterziehen, die oft mit Spannungsfreiglühen kombiniert wird. Wie oben erwähnt, ist die metallurgische Struktur von Schweissstellen, die nach bekannten Verfahren hergestellt wurden, überangelassen, und es ist nicht möglich, diese überangelassenen Schweissstellen erfolgreich anzulassen.
Die Kriecheigenschaften solcher Schweissstellen kann man nur durch eine zusätzliche Wärmebehandlung einschliesslich der oben erwähnten Rückaustenitisierung, die vor dem Anlassen durchgeführt werden muss, einigermassen bessern. Bainitische und/oder Zwischenstufen-Umwandlungsprodukte kann man jedoch erfolgreich anlassen, um ohne eine solche zusätzliche Wärmebehandlung gute Kriecheigenschaften zu erzeugen.
Ein weiteres Problem, das auftritt, wenn man mit bekannten Verfahren einwandfreie Schweissungen in kriechbeständigen, ferritischen Stählen erzielen will, ergibt sich aus der Tatsache, dass sich die chemische Zusammensetzung des Zusatzmetalles von jener der Grundwerkstoffes unterscheiden kann, weshalb sich die Umwandlungsmerkmale des Zusatzmetalles und des Grundmetalles stark unterscheiden können. Jede wirksame Wärmebehandlung zur Besserung der Kriecheigenschaften der Schweissung muss daher unter Bedachtnahme auf die Umwandlungsmerkmale sowohl des Zusatzmetalles als auch des Grundmetalles gewählt werden, und es ist möglich, dass es keinen geeigneten Kompromiss gibt.
Die Erfindung hat ein Schweissverfahren für kriechbeständige, ferritische Stähle zum Ziel, bei welchem das aus einem ferritischen Stahl bestehende Zusatzmetall während des Schweissens nicht überangelassen wird.
Bei bekannten Verfahren zum Schweissen niedrig legierter. kriechbeständiger. ferritischer Stähle lässt sich eine zur Erzielung guter Kriechfestigkeit der Schweissstelle notwendige gleichmässige Carbidverteilung nicht erreichen, da sich in der Schweissstelle Umwandlungsprodukte, wie z. B. Perlite, bilden und nachfolgendes Anlassen solcher Umwandlungsprodukte kein Weg zur Erzielung einer gleichmässigen Carbidverteilung ist. Die Bildung von Perlit wird hauptsächlich durch Überanlassen des Zusatzmetalles verursacht ; solches Überanlassen tritt in der Regel bei den bekannten Mehrlagen-Schweissverfahren ein. Weitere Einzelheiten der Auswirkungen des Überanlassens und der mit solchen bekannten Verfahren
<Desc/Clms Page number 3>
verbundenen Schwierigkeiten werden an späterer Stelle dieser Beschreibung noch ausführlich erwähnt.
Die Erfindung hat ein Schweissverfahren für kriechbeständige, ferritische Stähle zum Ziel, bei welchem das aus einem ferritischen Stahl bestehende Zusatzmetall während des Schweissens nicht überangelassen wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet :
1. Verwendung eines kriechbeständigen, ferritischen Stahls mit einem stabilen austenitischen Zu- standsbereich als Schweisszusatzmaterial,
Il. Erhitzen der zu schweissenden Metallteile auf die austenitische Umwandlungstemperatur des
Schweisszusatzmaterials, d. h. auf eine Mindesttemperatur im Bereich von 350 bis 6000 C,
III. Auftragen des Zusatz materiales auf die erwärmten Teile, deren unter II genannte Temperatur bis zum Ende des Auftragungsvorganges aufrechterhalten wird,
IV. Abkühlen der geschweissten Teile auf die Umgebungstemperatur mit solcher Geschwindigkeit, dass sich bainitische oder Zwischenstufen-Umwandlungsprodukte zumindest im Zusatzmaterial bilden können,
V.
Anlassen der geschweissten Teile durch mindestens 4 h langes Erhitzen der Schweissstelle und zumindest der an die Schweissstelle angrenzenden Metallteile auf eine Temperatur im Bereich 600 bis 7000 C, und hernach endgültiges Abkühlen.
Der hier verwendete Ausdruck"Abkühlung"umfasst nicht Abschrecken in Wasser, Öl oder andern Medien, mit deren Hilfe man einen raschen Temperaturabfall erzielt und damit in unerwünschter Weise eine Martensitstruktur erzeugen würde, sondern es wird darunter langsameres Abkühlen, wie z. B. Luftkühlung ohne oder mit Gebläse oder sogar kontrollierte Abkühlung, verstanden, bei welcher Wärme in abnehmendem Masse aufgebracht wird, um eine allmähliche, kontrollierte Temperaturabnahme zu erzielen.
Die tatsächlichen Temperaturbereiche und Zeitspannen, in welchen das Auftragen des Zusatzmetalles durchgeführt wird, richtet sich nach vielen Faktoren ; die wichtigsten davon sind folgende :
I. die Zusammensetzung des als Zusatzmetall verwendeten ferritischen Stahls und dessen Um- wandlungsmerkmale ;
II. die Grösse der Schweissstelle ;
III. die im Einzelfall angewendete Schweissart.
Die Umwandlungsmerkmale des als Zusatzmetall verwendeten ferritischen Stahls hängen von der jeweiligen chemischen Zusammensetzung des letzteren ab. Der als Zusatzmetall verwendete ferritische Stahl muss Umwandlungsmerkmale aufweisen, die es ermöglichen, dass die Schweissstelle während des Schweissvorganges bzw. während des Auftragens des Zusatzmetalles im austenitischenZustandbleibtso- wie innerhalb des Temperaturbereiches des Zusatzmetalles, einschliesslich aller im Zuge des Schweissvorganges schon vorher aufgetragenen Lagen desselben. Wählt man also als Zusatzmetall einen geeigneten ferritischen Stahl, der während aller Temperaturschwankungen des Zusatzmetalles austenitisch bleibt, so bilden sich keine unerwünschten Umwandlungsprodukte, die sich nicht erfolgreich anlassen lassen, nämlich Perlit.
Von der jeweils angewendeten Schweissart hängt auch die Stärke der Erhitzung ab, der das Zusatzmetall der vorhergehenden Lage (n) und der Grundwerkstoff ausgesetzt werden. Die Temperatur des flüssigen Zusatzmetalles beim Auftragen auf das Grundmetall und die vorhergehenden Schweisslage (n) kann auch je nach der angewendetenSchweissart von der Intensität der Flamme bzw. vonder elektrischen Stromstärke abhängen. Man muss auch in Betracht ziehen, dass die Abkühlungsgeschwindigkeit von Grundwerkstoff und Schweissstelle von der Grösse und Konfiguration der Schweissstelle und der Metallteile abhängt, so dass man das Mass der Temperaturschwankungen, die Überanlassen des angrenzenden Grundwerkstoffes während des Schweissens bewirken, durch entsprechende Wahl der angewendeten Schweissart einschränken kann.
Es stellte sich heraus, dass man das erfindungsgemässe Schweissverfahren für kriechfeste, ferritische Stähle erfolgreich anwenden kann, wenn die Dicke bzw. Tiefe des zu schweissenden Gebietes grösser als 12, 7 mm ist, und insbesondere im Bereich von 38, 1 oder 63, 5 mm liegt. Unter dem Ausdruck"relativ grosse Dicke" sollen hier Dicken von zirka 12,7 mm oder mehr verstanden werden. Die maximale Dicke kann bei 150 - 20u mm liegen, hängt aber von der Zeitdauer ab, die zur Durchführung der Schweissung unter Berücksichtigung der Umwandlungsmerkmale des Zusatzmetalles benötigt wird.
Es wurde festgestellt, dass für das erfindungsgemässe Schweissverfahren ein geeigneter kriech- beständiger, ferritischer Stahl zur Herstellung der zu verschweissenden Grundwerkstoff-Teile ein Chrom- Molybdän-Vanadiumstahl folgender chemischer Zusammensetzung sein kann :
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
<tb>
<tb> Element
<tb> Kohlenstoff <SEP> 0, <SEP> 06-0, <SEP> 15 <SEP> Gew.-% <SEP>
<tb> Chrom <SEP> 0, <SEP> 25 <SEP> - <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> Gel.-%
<tb> Molybdän <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> - <SEP> 0, <SEP> 7 <SEP> Gew.-%
<tb> Silicium <SEP> 0, <SEP> 1-0, <SEP> 3 <SEP> Gew.-%
<tb> Mangan <SEP> 0, <SEP> 4-0, <SEP> 7 <SEP> Gew.-%
<tb> Vanadium <SEP> 0, <SEP> 02-0, <SEP> 3 <SEP> Gew.- <SEP>
<tb> Eisen <SEP> und <SEP> Verunreinigungen <SEP> Rest
<tb>
Ein weiterer geeigneter kriechbeständiger, ferritischer Stahl für die Grundwerkstoff-Teile kann ein 2-1/4-Chrom-Molybdänstahl sein, der meist folgende chemische Zusammensetzung aufweist :
EMI4.2
<tb>
<tb> Element
<tb> Kohlenstoff <SEP> max. <SEP> 0, <SEP> 7 <SEP> 0 <SEP> Gew.-% <SEP>
<tb> Mangan <SEP> 0, <SEP> 25-1, <SEP> 0 <SEP> Gew.- <SEP>
<tb> Silicium <SEP> max. <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP> Gew. <SEP> -O <SEP> ; <SEP> o <SEP>
<tb> Chrom <SEP> 2, <SEP> 0-2, <SEP> 5 <SEP> Gew.-%
<tb> Molybdän <SEP> 0, <SEP> 80-1, <SEP> 25 <SEP> Gew.-% <SEP>
<tb> Eisen <SEP> und <SEP> Verunreinigungen <SEP> Rest
<tb>
Bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens wird der obige ferritische 2-1/4-Chrom-Molybdänstahl oft als Zusatzmetall für den erwähnten Chrom-Molybdän-Vanadiumstahl verwendet.
Es wurde ein besonders geeigneter ferritischer Stahl zum Gebrauch als Zusatzmetall entwickelt, der bei den obigen Beispielen bekannter kriechbeständiger, ferritischer Stähle eingesetzt werden kann ; dieser ferritische Stahl stellt ein Zusatzmetall mit solchen Umwandlungsmerkmalen dar, dass die Schweissstelle bei der Schweisstemperatur lange austenitisch bleibt und sich während der nachfolgenden Abkühlung der Schweissung keine unerwünschten Umwandlungsprodukte bilden.
Die chemische Zusammensetzung dieses als Zusatzmetall zu verwendenden ferritischen Stahls ist wie folgt :
EMI4.3
<tb>
<tb> Element
<tb> Kohlenstoff <SEP> 0, <SEP> 05-0, <SEP> 4 <SEP> Gew.-% <SEP>
<tb> Mangan <SEP> 0, <SEP> 25-1, <SEP> 0 <SEP> Gew.- <SEP>
<tb> Silicium <SEP> 0, <SEP> 1-1, <SEP> 0 <SEP> Gew.-%
<tb> Chrom <SEP> 1, <SEP> 5 <SEP> -5, <SEP> 0 <SEP> Gew. <SEP> -0 <SEP> ; <SEP> 0 <SEP>
<tb> Molybdän <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> -1, <SEP> 5 <SEP> Gew.-%
<tb> Nickel <SEP> 0, <SEP> 25-1, <SEP> 00 <SEP> Gew.-% <SEP>
<tb> Vanadium <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> -1, <SEP> 00 <SEP> GEw.-%
<tb> Bor <SEP> 0, <SEP> 001-0,01 <SEP> Gew.-%
<tb> Titan <SEP> 0, <SEP> 00-0, <SEP> 5 <SEP> Gew. <SEP>
<tb>
Eisen <SEP> und <SEP> übliche <SEP> Verunreinigungen <SEP> Rest
<tb>
Im oben genannten ferritischen, als Zusatzmetall zu verwendenden Stahl werden die Um wandlungsmerkmale, die es ermöglichen, die Schweissung ziemlich lang innerhalb eines ziemlich weiten Temperaturbereiches im austenitischen Zustand zu halten, hauptsächlich durch die Anwesenheit der Elemente Chrom, Bor, Nickel und Mangan in den angegebenen Mengen bestimmt.
Auch andere Elemente haben sowohl auf die Umwandlungsmerkmale als auch auf die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Zusatzmetalles beträchtliche Auswirkungen. Im beispielsweisen Zusatzmetall beeinträchtigt z. B. Mangan in einer Menge über 1, Wo die Kriecheigenschaften, während durch Vanadium in einer Menge zwischen 0, 1 und 1, 001o eine Verbesserung der Kriecheigenschaften begünstigt wird ; Chrom, Molybdän und Silicium wirken in bekannter Weise im Sinne einer Verbesserung der grundlegenden mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Stahls.
Man wird die chemische Zusammensetzung des als Zusatzmetall verwendeten ferritischen Stahls
<Desc/Clms Page number 5>
auch womöglich so wählen, dass der Kriechwiderstand der Schweisse gleich gut oder besser als der des Grundwerkstoffes wird.
Um das erfindungsgemässe Verfahren zu demonstrieren und es mit der derzeitigen Praxis zu vergleichen, wurde eine Anzahl von Kurz-Zeitstandversuchen durchgeführt, deren Ergebnisse weiter unten gebracht werden.
Es wurden mit dem früher erwähnten kriechbeständigen, ferritischen 2-1/4-Chrom-Molybdänstahl, der gewöhnlich als Zusatzmetall verwendet wird, drei Reihen von Zeitstandversuchen durchgeführt.
Bei der ersten Versuchsreihe wurden eine Anzahl von Prüflingen geprüft, die aus Chrom-MolybdänVanadiumstahl als Grundwerkstoff bestanden und in einem Schweissautomat, wo das erwähnte Überanlassen gewöhnlich auftritt, mit 2-1/4-Chrom-Molybdänstahl als Zusatzmetall geschweisst worden waren.
Bei der zweiten Versuchsreihe waren die Prüflinge ähnlich jenen der ersten Gruppe, nur wurde die Schweissung nicht automatisch, sondern manuell durchgeführt.
Die dritte Versuchsreihe wurde an Prüflingen aus im Kokillenguss gegossenen Stäben derselben Nenn-Zusammensetzung, wie sie der bei den Versuchen der ersten und zweiten Reihe als Zusatzmetall verwendeten, bekannten 2-1/4-Chrom-Molybdänstahl aufweist, durchgeführt ; die Prüflinge wurden einer die Zustände bei Überanlassen im Schweissautomat simulierenden Wärmebehandlung unterworfen, d. h. einer Überanlassbehandlung bei einer hohen Anlasstemperatur. Der Zweck dieser dritten Versuchsreihe war, festzustellen, ob die bei den gegossenen Stäben erzielten Zeitstandwerte mit den Ergebnissen, die bei den bereits erwähnten normal geschweissten Prüflingen gewonnen wurden, vergleichbar und vereinbar sind.
Die vierte, auf dem erfindungsgemässen Verfahren basierende Versuchsreihe wurde an Prüflingen aus im Kokillenguss gegossenen Stäben mit derselben chemischen Zusammensetzung wie das früher als Beispiel angeführte Zusatzmetall und mit den für das erfindungsgemässe Verfahren gewünschten Umwandlungsmerkmalen durchgeführt. Diese Prüflinge wurden ebenfalls einer Wärmebehandlung unterzogen, welche die beim erfindungsgemässen Schweissverfahren auftretenden Bedingungen simuliert, d. h.
30 min lang Erhitzen auf 9500 C, Abkühlen auf 5000 C und dann langsam auf Umgebungstemperatur abkühlen. Mit dieser vierten Reihe sollte die Verbesserung des Zeitstandverhaltens und damit der Kriecheigenschaften nach dem erfindungsgemässen Verfahren im Vergleich zur derzeit angewendeten normalen Schweisspraxis festgestellt werden.
Alle Prüflinge jeder Versuchsreihe ausser jener der Reihe III wurden nach dem Schweissen bzw. nach dem simulierten Schweissen durch 4 h langes Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 675 und 7000 C angelassen ; die Reihe III wurde ja bereits überangelassen und eine weitere Anlassbehandlung hätte nichts mehr geändert.
Die Zeitstandversuche wurden für jede Versuchsreihe ebenfalls unter identischen Bedingungen durchgeführt, nämlich bei einer Temperatur von 6210 C bei einer Belastung von 11,03 kp/mm2.
Nun sollen die Einzelheiten und Ergebnisse dieser vier Versuchsreihen angegeben werden.
Versuchsreihe I :
EMI5.1
<tb>
<tb> Im <SEP> Automat <SEP> hergestellte <SEP> Schweissungen
<tb> Zusatzmetall <SEP> 2-1/4-Chrom-Molybdänstahl <SEP> auf
<tb> Platte <SEP> aus <SEP> Chrom-Molybdän <SEP> - <SEP> Vanadiumstahl <SEP>
<tb> Versuch <SEP> Nr. <SEP> Zeit <SEP> bis <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> in <SEP> h
<tb> la) <SEP> 153
<tb> lb) <SEP> 100
<tb> 1c) <SEP> 212 <SEP> 1/2
<tb> 1d) <SEP> 153
<tb> le) <SEP> 250
<tb> lf) <SEP> 110
<tb> Bereich <SEP> der <SEP> Zeitstanddauer
<tb> bei <SEP> 11, <SEP> 03 <SEP> kp/mm2 <SEP> und <SEP> 6210 <SEP> C <SEP> 100-250 <SEP>
<tb> Mittlere <SEP> Zeitstanddauer <SEP> 163
<tb>
<Desc/Clms Page number 6>
Die chemische Nenn-Zusammensetzung des Grundwerkstoffes aus Chrom-Molybdän-Vanadiumstahl war wie früher angegeben, und die chemische Zusammensetzung des für alle Versuche verwendeten Zusatzmetalles war wie folgt :
EMI6.1
<tb>
<tb> Zusatzmetall
<tb> Chemische <SEP> Zusammensetzung
<tb> Versuch <SEP> la) <SEP> lb) <SEP> und <SEP> 1c) <SEP> lad), <SEP> le), <SEP> lf)
<tb> Kohlenstoff <SEP> 0, <SEP> 06 <SEP> Gew.-% <SEP> 0, <SEP> 07 <SEP> Gew.-% <SEP> 0,065 <SEP> Gew.-%
<tb> Mangan <SEP> 0,62 <SEP> Gew.-% <SEP> 0,60 <SEP> Gew.-% <SEP> 0,60 <SEP> Gew.-%
<tb> Silicium <SEP> 0,44 <SEP> Gew.-% <SEP> 0,43 <SEP> Gew.-% <SEP> 0,47 <SEP> Gew.-%
<tb> Chrom <SEP> 2,38 <SEP> Gew.-% <SEP> 2,11 <SEP> Gew.-% <SEP> 2,24 <SEP> Gew.-%
<tb> Vanadium <SEP> 0, <SEP> 0 <SEP> 03 <SEP> Gew.-- <SEP>
<tb> Molybdän <SEP> 0,94 <SEP> Gew.-% <SEP> 0,31 <SEP> Gew.-% <SEP> 0,92 <SEP> Gew.-%
<tb> Eisen <SEP> und <SEP> Verunreinigungen <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest
<tb>
Versuchsreihe II :
EMI6.2
<tb>
<tb> Manuelle <SEP> Schweissungen
<tb> Zusatzmetall <SEP> 2-1/4-Chrom-Molybdänstahl <SEP> auf
<tb> Platte <SEP> aus <SEP> Chrom-Molybdän-Vanadiumstahl
<tb> Versuch <SEP> Nr. <SEP> Zeit <SEP> bis. <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> in <SEP> h
<tb> 2a) <SEP> 390
<tb> 2b) <SEP> 483
<tb> 2c) <SEP> 535
<tb> Bereich <SEP> der <SEP> Zeitstanddauer <SEP> bei
<tb> 11, <SEP> 03 <SEP> kp/mm <SEP> 2 <SEP> und <SEP> 6210 <SEP> C <SEP> 390 <SEP> - <SEP> 535 <SEP>
<tb> Mittlere <SEP> Zeitstanddauer <SEP> 469
<tb>
Die chemische Nenn-Zusammensetzung des Grundwerkstoffes aller Prüflinge war dieselbe wie bei der Versuchsreihe I, und die chemische Zusammensetzung des angewendeten Zusatzmetalles war wie folgt :
EMI6.3
<tb>
<tb> Zusatzmetall
<tb> Chemische <SEP> Zusammensetzung
<tb> Versuch <SEP> 2a) <SEP> Versuch <SEP> 2b) <SEP> Versuch <SEP> 2c)
<tb> Kohlenstoff <SEP> 0,10 <SEP> Gew.-%* <SEP> 0,10 <SEP> Gew.-%* <SEP> 0,10 <SEP> Gew.-%
<tb> Mangan <SEP> 0,50-0,60 <SEP> Gew.-%* <SEP> 0,50-0,60 <SEP> Gew.-%* <SEP> 0,51 <SEP> Gew.-%
<tb> Silicium <SEP> max. <SEP> 0,50 <SEP> Gew.-%* <SEP> max. <SEP> 0,50 <SEP> Gew.-%* <SEP> 0,30 <SEP> Gew.-%
<tb> Chrom <SEP> 2,12 <SEP> Gew.-% <SEP> 2,10 <SEP> Gew.-% <SEP> 1,60 <SEP> Gew.-%
<tb> Vanadium <SEP> 0,017 <SEP> Gew.- <SEP> 0, <SEP> 024 <SEP> Gew.-%
<tb> Molybdän <SEP> 1,07 <SEP> Gel.-% <SEP> 1,06 <SEP> Gew.-% <SEP> 0,92 <SEP> Gel.-%
<tb> Eisen <SEP> und <SEP> Verunreinigungen <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest
<tb>
* Nenn-Zusammensetzung Versuchsreihe III :
<Desc/Clms Page number 7>
EMI7.1
<tb>
<tb> In <SEP> Kokille <SEP> gegossene <SEP> Stäbe
<tb> okille <SEP> gegossene <SEP> Stäbe
<tb> 2-1/4-Chrom-Molybdänstahl, <SEP> der <SEP> einer <SEP> Wärmebehandiung
<tb> unterzogen <SEP> wurde, <SEP> welche <SEP> die <SEP> bei <SEP> automatischem
<tb> Schweissen <SEP> auftretenden <SEP> Bedingungen <SEP> simuliert
<tb> Versuch <SEP> Nr. <SEP> Zeit <SEP> bis <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> in <SEP> h
<tb> 3a) <SEP> 291
<tb> 3b) <SEP> 139 <SEP> 1/2 <SEP>
<tb> 3c) <SEP> 164 <SEP> 1/2
<tb> Bereich <SEP> der <SEP> Zeitstanddauer <SEP> bei
<tb> 11, <SEP> 03 <SEP> kp/mmn <SEP> und <SEP> 621 C <SEP> 139 <SEP> 1/2 <SEP> - <SEP> 291
<tb> Mittlere <SEP> Zeitstanddauer <SEP> 198
<tb>
Die chemische Zusammensetzung jedes der Prüflinge war wie folgt :
EMI7.2
<tb>
<tb> Chemische <SEP> Zusammensetzung
<tb> Versuch <SEP> 3a) <SEP> Versuch <SEP> 3b) <SEP> Versuch <SEP> 3c)
<tb> Kohlenstoff <SEP> 0, <SEP> 07 <SEP> Gew.-% <SEP> 0, <SEP> 07 <SEP> Gew. <SEP> -% <SEP> 0,07 <SEP> Gew.-%
<tb> Mangan <SEP> 0. <SEP> 65 <SEP> Gew.-% <SEP> 0,67 <SEP> Gew.-% <SEP> 0, <SEP> 59 <SEP> Gew.
<tb> Silicium <SEP> 0, <SEP> 50 <SEP> Gew.- <SEP> 0,53 <SEP> Gew.-% <SEP> 0,50 <SEP> Gew. <SEP> -% <SEP>
<tb> Chrom <SEP> 2,40 <SEP> Gew.-% <SEP> 2,37 <SEP> Gew.-% <SEP> 2,10 <SEP> Gew.-%
<tb> Vanadium
<tb> Molybdän <SEP> 1, <SEP> 09 <SEP> Gew.-% <SEP> 1,00 <SEP> Gew.-% <SEP> 0, <SEP> 95 <SEP> Gew.-%
<tb> Eisen <SEP> und <SEP> Verunreinigungen <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest
<tb>
Versuchsreihe IV :
EMI7.3
<tb>
<tb> In <SEP> Kokille <SEP> gegossene <SEP> Stäbe
<tb> Bevorzugter <SEP> Chrom-Molybdänstahl, <SEP> der <SEP> einer <SEP> Wärmebehandlung
<tb> unterzogen <SEP> wurde, <SEP> welche <SEP> die <SEP> beim <SEP> erfindungsgemässen
<tb> Schweissverfahren <SEP> auftretenden <SEP> Bedingungen <SEP> simuliert
<tb> Versuch <SEP> Nr. <SEP> Zeit <SEP> bis <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> in <SEP> h
<tb> 4a) <SEP> 737 <SEP> 1/2 <SEP>
<tb> 4b) <SEP> 1239
<tb>
Die chemische Zusammensetzung jedes der Prüflinge war wie folgt :
EMI7.4
<tb>
<tb> Chemische <SEP> Zusammensetzung
<tb> Versuch <SEP> 4a) <SEP> Versuch <SEP> 4b)
<tb> Kohlenstoff <SEP> 0, <SEP> 105 <SEP> Gew.- <SEP> 0, <SEP> 09 <SEP> Gew.- <SEP>
<tb> Chrom <SEP> 2,07 <SEP> Gew.-% <SEP> 2,09 <SEP> Gew.-%
<tb> Molybdän <SEP> 1,07 <SEP> Gew.-% <SEP> 1,08 <SEP> Gew.-%
<tb> Mangan <SEP> 0,81 <SEP> Gew.-% <SEP> 0,44 <SEP> Gew.-%
<tb> Silicium <SEP> 0, <SEP> 11 <SEP> Gew.-% <SEP> 0, <SEP> 21 <SEP> Gew.-% <SEP>
<tb> Nickel <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> Gew.-% <SEP> 0,48 <SEP> Gew.
<SEP> -% <SEP>
<tb>
<Desc/Clms Page number 8>
Tabelle (Fortsetzung)
EMI8.1
<tb>
<tb> Versuch <SEP> 4a) <SEP> Versuch <SEP> 4b)
<tb> Vanadium <SEP> 0,22 <SEP> Gel.-% <SEP> 0, <SEP> 23 <SEP> Gel.-%
<tb> Bor <SEP> 0, <SEP> 003 <SEP> Gew.- <SEP> 0, <SEP> 003 <SEP> Gew.- <SEP>
<tb> Eisen <SEP> und <SEP> Verunreinigungen <SEP> Rest <SEP> Rest
<tb>
Aus den obigen Versuchsergebnissen ersieht man, dass die längste Zeit bis zum Bruch bei den Prüf- lingen der Versuchsreihe IV zu beobachten war ; diese Versuchsreihe stellt das erfindungsgemässe Ver- fahren dar.
Um die Ergebnisse der Versuchsreihe IV zu beurteilen, ist es notwendig, zuerst die Ergebnisse der
Versuchsreihen I, II und III zu betrachten.
Die Ergebnisse der Versuchsreihe I zeigen die verhältnismässig schlechten Kriecheigenschaften automatisch durchgeführter Schweissungen, und die Ergebnisse der Versuchsreihe II beweisen, dass die
Kriecheigenschaften etwas besser werden, wenn man die Schweissung manuell durchführt.
Die Ergebnisse der Versuchsreihe III, die mit Prüflingen aus in der Kokille gegossenen Stäben mit dem Zusatzmetall der Versuchsreihen I und II, insbesondere der Versuche lc), lad), le), lf) und 2c), grundsätzlich entsprechenden chemischen Zusammensetzungen durchgeführt wurden, zeigen, dass sich die Zeitstanddauer der Schweissungen jener von Prüflingen vergleichen lassen, die zur Gänze aus dem Zusatzmetall bestehen und simulierten Schweissbedingungen unterzogen werden. Mit Kenntnis der Tatsache, dass unter den praktisch auftretenden Schweissbedingungen ähnliche und vergleichbare Resultate auftreten werden, kann daher ein direkter Vergleich zwischen den Ergebnissen der Versuchsreihen III und IV durchgeführt werden.
Vergleicht man die Ergebnisse der Versuchsreihen III und IV, so fällt die Erhöhung der Zeitstanddauer bei Anwendung des erfindungsgemässen Schweissverfahrens ins Auge.
Das Ergebnis des Versuchs 4b) zeigt effektiv, dass für die längste Zeitstanddauer gemäss Versuch 3a) eine Erhöhung um über 900 h und beim Wert gemäss Versuch 4a) eine Erhöhung von über 400 h zu erwarten ist.
Obgleich das Ergebnis des Versuchs 4a) beträchtlich tiefer als jenes des Versuchs 4b) liegt, sind beide Ergebnisse jenen der bekannten Schweisspraxis oder deren Simulierung weit überlegen. Das weniger gute Ergebnis von Versuch 4a) kann durch den Mangangehalt erklärt werden, der mit 0, 81 Gew.- o beim Stahl des Versuchs 4a) wesentlich höher als die 0, 44 Gew.- beim Stahl des Versuchs 4b) liegt. Mangan in höheren als bestimmten Mengen hat einen Einfluss auf die Zeitstandfestigkeit und man kann daher wegen des Unterschieds im Mangangehalt erwarten, dass die Zeitstanddauer bei Versuch 4a) geringer als jene bei Versuch 4b) sein wird.
Um die durch die Erfindung verbesserten Kriecheigenschaften noch weiter zu demonstrieren, wurden noch einige weitere Versuche als Versuchsreihe V durchgeführt ; diese sind in den Kurven von Fig. 1 dargestellt.
Versuchsreihe V :
Die Versuchsreihe V soll die Zeitstanddauer bei 5750 C und verschiedenen Belastungen demonstrieren. Zwei Gruppen von Prüflingen mit derselben wie bei den Versuchen 4a) und 4b) angegebenen Zusammensetzung waren einer Wärmebehandlung unterzogen worden, welche die beim erfindungsgemässen Verfahren auftretenden Bedingungen simuliert.
Die Ergebnisse dieser Versuche werden mit den Ergebnissen verglichen, die man mit einem kriechbeständigen, ferritischen Stahl, nämlich einem 2 1/4-Chrom-Molybdänstahl (im folgenden als Stahl 5a bezeichnet) erzielte, der in bekannter Weise manuell geschweisst wurde ; dieser Stahl hat folgende Zusammensetzung :
Stahl 5a) :
EMI8.2
<tb>
<tb> Chemische <SEP> Zusammensetzung
<tb> Kohlenstoff <SEP> 0,088 <SEP> Gel.-%
<tb> Mangan <SEP> 0, <SEP> 56 <SEP> Gew. <SEP> fto <SEP>
<tb> Silicium <SEP> 0,38 <SEP> Gew.-% <SEP>
<tb> Chrom <SEP> 2, <SEP> 37 <SEP> Gew.-%
<tb>
<Desc/Clms Page number 9>
Tabelle (Fortsetzung)
EMI9.1
<tb>
<tb> Vanadium <SEP> 0,06 <SEP> Gew. <SEP> -0 <SEP> ;
<SEP> 0 <SEP>
<tb> Molybdän <SEP> 1, <SEP> 03 <SEP> Gew.-lo <SEP>
<tb> Eisen <SEP> und <SEP> Verunreinigungen <SEP> Rest
<tb>
Diese, bekannte Verfahren betreffenden Ergebnisse wurden aus Angaben über solche Schweissungen in einer Arbeit von L. M. T. Hopkinet. al. im Journal of The Iron and Steel Institute, August [1965], entnommen und sind in der Figur durch die voll ausgezogene Kurve dargestellt.
Im folgenden sind die Ergebnisse der zwei Versuchsreihen angeführt, die mit den erfindungsgemässen Schweissungen entsprechenden Prüflingen durchgeführt wurden.
Stahl von Versuch 4a) :
EMI9.2
<tb>
<tb> Belastung <SEP> Zeit <SEP> bis <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> in <SEP> h
<tb> 23,63 <SEP> kp/mrn <SEP> 73
<tb> 19,69 <SEP> kp/mm <SEP> 2 <SEP> 497
<tb> 15, <SEP> 75 <SEP> kp/mmn'2035 <SEP>
<tb>
Stahl von Versuch 4b) :
EMI9.3
<tb>
<tb> Belastung <SEP> Zeit <SEP> bis <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> in <SEP> h
<tb> 23,63 <SEP> kp/mm2 <SEP> 176
<tb> 19,69 <SEP> kp/mm2 <SEP> 971
<tb>
Die obigen Ergebnisse sind in der Figur durch gestrichelte Kurven mit der Bezeichnung des Stahls eingetragen.
Aus Fig. l kann man ersehen, dass die Ergebnisse der mit den erfindungsgemässen Schweissungen entsprechenden Prüflingen durchgeführten Versuche den nachbekanntenVerfahrendesSchweissenskriech- beständigen Stahls 5a) gewonnenen Ergebnissen weit überlegen sind.
Der Unterschied zwischen den Ergebnissen für die Stähle 4a) und 4b) kann wieder auf den Unterschied der Mangangehalte zurückgeführt werden, wie weiter oben erklärt.
Setzt man das erfindungsgemässe Schweissverfahren in die Praxis um, so muss man das Zusatzmetall unter Bedachtnahme auf seine Umwandlungsmerkmale und die Art des anzuwendenden Schweissvorganges auswählen.
Um das erfindungsgemässe Verfahren zu veranschaulichen, soll nun das Verschweissen zweier grosser Röhren von 300 mm Durchmesser und 63, 5 mm Wandstärke, die aus einem kriechbeständigen, ferritischen Stahl bestehen, besprochen werden.
Röhren mit einem so grossen Durchmesser werden derzeit in der Regel nicht mittels LichtbogenSchweissautomaten verschweisst, weil dabei keine einwandfreien Schweissungen entstünden, wie früher bereits erklärt. Eine so grosse Schweissung wird gewöhnlich manuell durchgeführt und kann ungefähr eine Woche lang brauchen.
Wendet man das erfindungsgemässe Verfahren an, so kann man Lichtbogen-Schweissautomaten einsetzen und braucht für die Durchführung dieser grossen Schweissung vielleicht 2 h oder etwas mehr.
Führt man die Schweissung erfindungsgemäss durch, so hätte man die angrenzenden Abschnitte der Röhren vor Beginn des Schweissens auf eine Temperatur im Bereich 350-6000C zu erhitzen und während des Auftragens des Zusatzmetalls auf dieser Temperatur zu halten. Eine bevorzugte Temperatur ist 5000 C. Um die Schweissstelle und die angrenzenden Rohrabschnitte innerhalb des gewünschten Temperaturbereiches zu halten, ist es eventuell notwendig, auf diese Stellen von aussen Wärme aufzubringen, aber gewöhnlich ist das wegen der mit dem Auftragen des Zusatzmetalls verbundenen Wärmezufuhr nicht nötig.
Da also die Schweissstelle und die angrenzenden Abschnitte der Röhren in diesem Temperaturbereich gehalten werden, vermeidet man die Bildung von Umwandlungsprodukten in den schon vorhandenen Schweisslagen während des Aufbringens weiterer Lagen, d. h. im Idealfall wird das Zusatz-
<Desc/Clms Page number 10>
metall während der zur Schweissung notwendigen Zeit zur Gänze im austenitischen Zustand gehalten.
Die Vorwärmung der Röhren und die Konstanthaltung der Temperatur der Röhren und der Schweiss- stelle auf der gewünschten Höhe kann durch einen Heizmantel geschehen, der die Röhren an der
Schweissstelle umgibt ; als Schweissart kann automatische Lichtbogenschweissung mit CO, als Schutzgas zur Anwendung kommen.
Nach Fertigstellung der Schweissung lässt man die Schweissstelle und die angrenzenden Röhrenab- schnitte langsam mit kontrollierter Geschwindigkeit abkühlen, so dass sich bainitische oder Zwischen- stufen-Umwandlungsprodukte bilden. Die kontrollierte Abkühlungsgeschwindigkeit kann durch Ver- minderung der Wärmezufuhr durch den Heizmantel, der vorher sowohl zum Vorwärmen als auch zur
Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur der Schweissstelle diente, erzielt werden. Als andere
Möglichkeit kann man die Schweissstelle und die angrenzenden Röhrenabschnitte in der Luft von selbst abkühlen lassen oder sie mittels eines Luftgebläses anblasen.
Die Abkühlung der Schweissstelle darf nicht sehr rasch erfolgen, wie das bei Abschrecken der Fall ist, da sich sonst eine unerwünschte martensitische Struktur bildet. Die verhältnismässig grossen Teile und Schweissstellen, für welche das erfindungsgemässe Schweissverfahren in Frage kommt, kühlen sich jedoch von selbst nicht sehr rasch ab und diese von selbst stattfindende Abkühlung wird meist nur so langsam sein, dass sich keine unerwünschten Strukturen bilden werden. In bestimmten Fällen wird eventuell Abkühlung durch ein Luftgebläse oder kontrollierte Abkühlung nötig sein, damit sich die er- forderliche Abkühlungsgeschwindigkeit einstellt und die gewünschten Umwandlungsprodukte ent- stehen.
Die Anlass- und Spannungsfreiglüh-Behandlung kann durch örtliches Aufbringen von Wärme auf die
Schweissstelle beispielsweise durch einen elektrischen Heizmantel geschehen, oder man kann die ge- schweisste Konstruktion in einem geeigneten Ofen erhitzen.
Obgleich sich die metallurgische Struktur des Grundwerkstoffes von der bei normalen Schweissverfahren erhaltenen vielleicht nicht wesentlich unterscheidet, ist der Kriechwiderstand der Schweissstelle wesentlich besser als jener, den man bei normalen Schweissverfahren erhält, da das Zusatzmetall weder unerwünschte Umwandlungsprodukte bildete noch überangelassen wurde, so dass die Festigkeit des Zusatzmetalls einwandfrei höher ist. Wurden normale Schweissverfahren angewendet, so treten Kriechbrüche meist im Zusatzmetall auf ; wurde jedoch das erfindungsgemässe Schweissverfahren angewendet, so verbessern sich die Kriecheigenschaften der Schweissstelle, wie gezeigt, und damit verbessert sich auch der Kriechwiderstand des geschweissten Endproduktes.
Das erfindungsgemässe Schweissverfahren lässt sich wahrscheinlich auch erfolgreich bei kriechbeständigen, ferritischen Stählen anwenden, deren chemische Zusammensetzung anders als die weiter oben erwähnte Zusammensetzung ist.
Weiters könnte das erfindungsgemässe Schweissverfahren abgeändert werden, um die Kriecheigenschaften der an die Schweissstelle angrenzenden Abschnitte des Grundwerkstoffes zu berücksichtigen, die durch die Temperaturschwankungen beim Schweissen eventuell ebenfalls ungünstig beeinflusst werden. Diese Abänderung des erfindungsgemässen Verfahrens wird sich jedoch nur dann als notwendig erweisen, wenn Kriechbrüche im Grundwerkstoff und nicht im Zusatzmetall auftreten, wie das bei Anwendung des derzeitigen Schweissverfahrens der Fall ist.
Wie bereits erwähnt, wird die im Einzelfall angewendete Schweissart von den zu schweissenden Teilen abhängen ; für das Schweissen von Nähten in dicken Platten stellt sich die Lichtbogenschweissung als sehr geeignet heraus, da sie sich leicht regulieren lässt. Weitere eventuell geeignete Schweissarten sind Unterpulverschweissung, Schutzgasschweissung oder Verfahren mit einer Flamme, falls sich die Flammentemperatur regulieren lässt.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.